第六章 钢结构
钢结构的特点和应用
用H型钢、工字钢、槽钢、角钢等热轧型钢和钢板组成的以及用冷弯薄壁型钢制成的承重构件或承重结构统称为钢结构，如钢梁、钢屋架、钢框架、钢网架、钢塔架等都是最常见的钢结构。
一、钢结构的特点与应用
最为广泛的混凝土结构相比，钢结构具有如下一些主要特点：
(l)强度高，重量轻。由于钢材的强密比(强度与质量密度之比值)较钢筋混凝土大近7倍，因此在相同承载力下，以钢构件的截面为小，重量为轻。例如，在跨度和荷载相同的条件下，钢屋架的重量约为钢筋混凝土屋架的1/3一1/4。由此带来的优点是：便于构件的运输和吊装，基础和地基处理的费用与工程量也可大大减少。
(2)质地均匀，各向同性。钢材的这个性质符合结构计算时通常所作的假定，因而钢结构的计算结果与其实际情况最为相符，计算可靠;钢材的弹性模量较大，结构在荷载作用下的变形就较小;钢材有良好的塑性性能，可自动调节构件中可能出现的局部应力高峰，且结构在破坏前一般都会产生显著的变形，事故有预告，可及时防患;钢材还具有良好的韧性，对承受动力荷载适应性强。钢结构抗震性能好。
(3)施工质量好，且工期短。钢结构一般都在专业工厂由机械化生产制造，而后运至工地现场安装，工业化生产程度高，质量容易监控和保证。工地占地面积少和环境污染少，适于都市市区建造。工期短，效益好。
(4)密闭性好。
(5)用螺栓连接的钢结构，可装拆，适用于移动性结构。
由于以上特点，钢结构的应用范围极广，有些情况下无法用其他建筑材料的结构代替。
二、钢结构应用的注意点在选用钢结构后要注意以下几个方面：
(1)防腐。钢材的耐腐蚀性较差，因而需采取防腐措施，我国钢结构设计规范对钢结构的防护作了如下规定：“钢结构除必须采取防锈措施(除锈后涂以油漆或金属镀层等)外，尚应在构造上尽量避免出现难于检查、清刷和油漆之处以及能积留湿气和大量灰尘的死角或凹槽。闭口截面构件应沿全长和端部焊接封闭。“钢结构防锈和防腐蚀采用的涂料、钢材表面的除锈等级以及防腐蚀对钢结构的构造要求等应符合现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB 50046)和《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》(GB 8923)的规定。在设计文件中应注明所要求的钢材除锈等级和涂料(或镀层)及涂(镀)层厚度。”
(2)防火。钢结构有一定的耐热性但不防火，当其温度到达450℃—650℃时，强度下降极快，在600℃时已不能承重，只有在200℃以下时钢材的性质变化不大。因此钢结构当表面长期受辐射热≥150℃或在短期内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施。
(3)防失稳。由于钢材强度大、构件截面小、厚度薄，因而在压力和弯矩等作用下带来了构件甚至整个结构的稳定问题。在设计中考虑如何防止结构或构件失稳，是钢结构设计的一个重要特点。
(4)防脆断。前面介绍钢结构的特点中曾言及钢材具有良好的塑性性能，但要注意这只是一个方面。当钢材处于复杂受力状态且为承受三向或二向同号应力时，当钢材处于低温工作条件下或受有较大应力集中时，钢材均会由塑性转变为脆性，产生突然的脆性破坏，这是很危险的。因此设计钢结构时如何防止钢材的脆性破坏又是一个必须重视的问题。
钢结构的材料及其性能
一、钢材的五个力学性能指标
为使所设计的钢结构满足承载能力和正常使用要求，我国新规范《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)(以下简称规范)提出了对承重结构钢材的质量要求，包括五个力学性能指标和碳、硫、磷的含量要求。这五个力学性能指标是抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯试验(性能)和冲击韧性。
抗拉强度fu，是钢材抵抗被拉断的性能指标，同时还能反映钢材内部组织的优劣，并与钢材的疲劳强度大小密切相关。
伸长率δ(δ5或δ10)，是衡量钢材塑性性能的一个指标，钢材的塑性性能能使应力集中处的应力高峰平缓，使该截面处的应力分布趋向均匀，能减少钢材脆性断裂的危险和易于冷加工。δ5或δ10分别是由短试件和长试件求得的伸长率，对同一钢材由短试件求得的δ5应大于长试件求得的δ10。
屈服强度fy，是确定钢材强度设计值的主要指标。
冷弯试验(性能)合格，是衡量钢材塑性的指标，同时也是衡量钢材质量的一个综合性指标。
冲击韧性AKV，也叫做缺口韧性，是衡量钢材突然断裂时所吸收的功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而急剧地变化。钢中的非金属夹杂物、带状组织、脱氧不良等都影响钢材的冲击韧性。必须注意的是：钢材的冲击韧性随温度而不同，低温时冲击韧性将明显降低。冲击韧性是钢材在冲击荷载或三轴向应力下具有可靠性的保证。
二、影响钢材性能的主要因素
钢的种类极多，依照用途不同而有不同的性能。用以建造钢结构的称为结构钢，它必须同时具有较高的强度、塑性和韧性，还必须具有良好的加工性能，对焊接结构还应保证其可焊性(即在一定的焊接工艺条件下焊接后，焊缝金属和近焊缝区的钢材不产生裂纹，施焊后焊缝的力学性能不低于焊接母材的力学性能)。强度高，可减小结构的截面积而节省钢材。塑性、韧性好可保证结构的安全，减少结构产生脆断的危险性。结构钢主要有两类，一是碳素结构钢中的低碳钢，另一是低合金高强度结构钢(合金成分低于5%时称为低合金钢)。
影响钢材性能的因素较多，主要是钢的化学成分的影响和生产过程不同的影响。
1.化学成分的影响
(1)碳素钢主要是铁和碳的合金。钢因含碳量不同而区分为低碳钢(C<0.25%)、中碳钢(C=0.25%～0.60%)和高碳钢(C=0.60%～1.7%)。碳的含量愈高，钢的强度也愈高，但其塑性、韧性和可焊性却显著降低，因而用作建造钢结构材料的只能是低碳钢，要求C≤0.22%。对焊接结构，为了使其有良好的可焊性，通常须限制C≤0.20%。
(2)为了得到较Q235钢更高的强度，可在低碳钢的基础上冶炼时加入为提高钢材强度的合金元素如锰、钒等，得到低合金钢。加入适量的合金成分后，可提高强度又不损害塑性与韧性。这与碳素钢依靠增加碳的含量而提高强度完全不同。
(3)钢中除铁与碳及有意加入的合金元素之外，尚含有少量的其他元素如锰、硅、硫及磷等，此外，也还可能存在钢冶炼过程中不易除尽的氧、氮和氢等。
锰对钢是有益元素，是钢液的弱脱氧剂。含适量的锰，可提高钢的强度同时不影响钢的塑性和冲击韧性。
硅对钢也是一种有益元素，是钢液的强脱氧剂。钢中含适量的硅，可提高钢的强度而不影响其塑性、韧性和可焊性。在低碳钢中其含量应为Si≤0.30写，在低合金钢中应为Si=0.20%～0.55%。
硫和磷都是钢中的有害杂质。含硫量增大，会降低钢的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等;当对钢材进行轧制等热加工或电焊时，会使钢内形成微小裂纹，称为“热脆”。磷的存在虽可提高钢的强度和抗锈性，但会降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等。特别是磷能使钢材在低温时变脆，称为“冷脆”。因此，规范中规定承重结构的钢材应具有硫和磷含量的合格保证。
氧、氮和氢也都是有害杂质。氧与硫一样会使钢热脆，氮则与磷相似会使钢冷脆，氢能使钢产生裂纹。
2.生产过程对钢材性能的影响
生产过程的影响包括冶炼时的炉种、浇注前的脱氧和热轧等的影响。
我国目前钢结构用的钢材，主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成，现在这两种冶炼方法炼制的钢的质量大致相当，可以同样看待。
浇注钢锭时在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧，可大大改善钢材的质量。因脱氧程度不同，钢可分成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢四类。沸腾钢采用锰作为脱氧剂，脱氧不完全，其冲击韧性较低和脆性转变温度较高，抵抗冷脆性能差，抗疲劳性能也较镇静钢为差，但沸腾钢的强度和塑性(例如屈服点和伸长率)并不比镇静钢低多少(特别是薄钢板)。
镇静钢除采用锰外另增加一定数量的硅作为脱氧剂，脱氧充分，因而材质好，但成本高于沸腾钢。
半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间，故名半镇静钢。钢材的质量比沸腾钢好，价格则较镇静钢便宜，但我国目前生产不是最多。
特殊镇静钢采用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧，因而脱氧彻底，质量最好，其冲击韧性特别是低温冲击韧性都较高。
目前因轧制钢材的钢坯推广采用连续铸锭法生产，钢材必然为镇静钢。因而镇静钢的应用已大大增多。
我国的钢材大都是热轧型钢和热轧钢板。钢材热轧成型，同时也可细化钢的晶粒使组织紧密，原存在于钢锭内的一些微观缺陷如小气泡和裂纹等经过多次辊轧而弥合，改进了钢的质量，如图6-1所示。因而薄型材和薄钢板的屈服点和伸长率等就大于厚材，即钢材的屈服点和伸长率随厚度不同而变化。
上面简单说明影响钢材力学性能的主要因素，只是涉及钢材在出钢厂以前的有关因素。钢材出钢厂以后，在制造和使用时还会有许多因素影响钢的力学性能，例如下面将介绍的钢在冷加工时发生的应变硬化和时效硬化。
3.钢材的硬化
钢材的硬化包括冷加工硬化(应变硬化)和时效硬化。
钢材经冷拉、冷弯等冷加工而产生塑性变形，卸荷后重新加荷，可使钢材的屈服点得到提高，但钢材的塑性和韧性却大大降低，这种现象称为冷加工硬化或应变硬化。在钢结构中由于对钢材的塑性和韧性要求较高，因此一般不利用这现象以提高钢材的屈服点。
时效硬化是指随时间的增长钢材强度提高而塑性和冲击韧性降低的现象。这也是一个对钢结构的不利因素。时效过程可长达几年，但如在塑性变形后对钢材加热到200——300℃，可使时效在几小时内完成，这称为人工时效。有些重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，以保证钢材长期具有较好的韧性。
三、钢材的脆性断裂(冷脆)
钢材在一般情况下是弹塑性材料，但特殊条件下可以转变为脆性材料，因而钢材的破坏可区分为塑性破坏和脆性破坏两种方式，脆性断裂只发生在承受拉伸时。钢材拉伸时的塑性破坏特征是：
(1)破坏前有较大的塑性变形，有明显的颈缩现象，因而易及时发现，危险性小。
(2)构件断裂发生在应力到达钢材的抗拉强度fu时。
脆性破坏特征是：
(1)破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先无警告，因而危险性大。
(2)破坏时的应力常小于钢材的屈服点fy。
(3)断口平直，呈有光泽的晶粒状。
影响钢材脆断的因素主要有下列几种：①钢材的质量;②钢板的厚度;③加荷的速度;④应力的性质(拉、弯等)和大小;⑤最低使用温度;⑥连接的方法(焊接);⑦应力集中程度等。
钢材的断裂，来源于早已存在于钢材的一些微小裂纹。因此，要防止脆性断裂，就应尽量设法消除或减少钢材中的微裂纹。从事故的分析中，还可看到事故都是在低温下发生，温度愈低，愈易脆断，而且大多数是焊接结构。焊接裂纹是钢材中存在微裂纹的重要原因。因此对低温地区的焊接结构要特别注意。
下面列举防止钢材脆断的一些措施：
(1)对低温地区的焊接结构要注意选用质量等级较高的钢材。
(2)对焊接结构特别是低温地区，设计时要注意焊缝的正确布置和施焊时注意焊缝的质量。
(3)力求避免应力集中。当构件的截面发生急剧改变，则该处将产生应力高峰，此现象称为应力集中，举例如下：图6-2(a)表示承受均匀拉力的一钢板当板中部有一圆孔时板内的应力分布情况。在远离圆孔的截面1-1处，板中应力线基本相互平行，截面上的应力均匀分布，如图6-2(b)所示。当各种不利因素集中在一起，如应力集中程度较高，地处低温地区及材质又较差时，应力集中就将是造成脆性断裂的因素之一。
(4)结构在使用时应避免使其突然受力，要使加荷的速度不致过大。加荷速度愈大，脆断的可能性也愈大。减小荷载的冲击和降低应力水平，也是防止钢材脆性断裂的一个措施。
四、钢材的层状撕裂
钢材的层状撕裂也是一种脆性断裂，主要发生在厚板中，是近30多年才引起注意的一种钢材破坏形式。钢材轧制时，在顺轧制方向的材质最强，横轧制方向略次，而在厚度方向为最差(厚板在厚度方向常起层状)。当钢材在厚度方向产生应变而变形又不受约束时，将使板弯曲如图6-3(a)所示;当变形受到约束时如厚板连接，就有可能在厚板中产生层状撕裂，如图6-3(b)所示。图中沿板厚度方向的应变是由于焊缝冷却时的横向收缩所引起。
要避免层状撕裂，焊缝的正确布置极为重要。图6-4给出了由两块钢板组成的两个角结点的两种焊缝布置。图6-4(a)、(c)的布置形式，易使钢板产生层状撕裂。改成图6-4(bd)所示的形式后就不易产生层状撕裂。
在高层建筑的梁、柱刚性焊接连接中，在负弯矩产生的拉力作用下，梁上翼缘水平处的H形截面柱翼缘厚钢板上将产生沿厚度方向的拉力作用而易发生层状撕裂。在此情况下，当钢板厚度大于40mm时，宜采用在厚度方向有抗层状撕裂性能的Z向钢板。这种钢板的我国国家标准是《厚度方向性能钢板》(GB/T 5313)，适用于厚度为15-150mm、屈服点不大于500N/mm2的镇静钢钢板。钢板的抗层状撕裂性能采用厚度方向的拉力试验的断面收缩率大小来评定。
五、钢材的牌号和选用
规范推荐的承重结构用钢材主要是碳素结构钢中的低碳钢和低合金高强度结构钢两类，包括Q235、Q345、Q390和Q420四种，各有国家标准对其牌号的表示方法和技术条件等作出规定。
1.钢材的牌号与质量等级
对应用较广的碳素结构钢，我国的现行国家标准是GB/T 700-2006，其中的一些主要规定介绍如下。
(1)牌号的表示方法。以Q235钢为例，其牌号的完整表示方法为：
Q235——质量等级符号·脱氧方法符号
质量等级分A、B、C、D四级，依次以A级质量较差，D级质量最高。脱氧方法符号为F、b、Z和TZ，分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢，但在牌号表示方法中，Z和TZ的符号可以省略。
(2)钢材的质量等级不同，其化学成分、脱氧要求和冲击韧性要求将有所不同，但由拉伸试验确定的力学性能(包括抗拉强度、屈服点和伸长率)则与等级无关。屈服点随钢材厚度分级降低，牌号中的235N/mm2是钢板厚度小于或等于16mm时的屈服点值。
A级和B级钢各有F、b和Z三种脱氧方法，C级钢只有镇静钢，D级钢只有特殊镇静钢。
(3)冲击韧性要求为：
Q235——A不作冲击韧性试验要求;
Q235——B作常温(20℃)冲击韧性试验;
Q235——C作0℃冲击韧性试验;
Q235——D作-20℃冲击韧性试验。
冲击韧性试验采用夏比V形缺口试件。冲击韧性指标为Akv。对上述B、C、D级钢在其各自不同温度要求下，都要求达到Akv≥27J(1J=1N·m)。
(4)基本上都要求同时保证力学性能与化学成分和规定采用平炉或氧气转炉冶炼，故牌号中无老标准要求的钢类和炉种符号。
(5)A级钢除保证力学性能外，其含碳量和含锰量不作为交货条件，但可在质量证明书中注明其含量。A级钢的冷弯试验在需方有要求时才进行。
(6)用沸腾钢轧制的B级钢(Q235-B·F)，其厚度(或直径)一般不大于25mm(以免厚度大时质量不易保证)。
我国国家标准《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591-2008)中的牌号表示方法与上述碳素结构钢的相同，只是质量等级分A～E共5级。由于低合金钢一般都是镇静钢，因而其牌号后面无脱氧方法的符号。对规范中推荐采用的三个牌号(Q345钢、Q390钢和Q420钢)的冲击韧性要求是：对其A级钢规定都不做冲击韧性试验;对其B、C和D级钢规定依次各做十20℃、0℃和-20℃、-40℃时的冲击韧性试验，其公称厚度为12mm-150mm时的合格标准均为Akv=34J。
2.钢材的选用
为了说明钢材的选用，应先了解规范中对钢材材性的要求。可归纳为下述4点：
(l)所有承重结构的钢材均应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。
(2)焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有冷弯试验的合格保证。
(3)对需验算疲劳的结构，不论其为焊接或非焊接，其钢材都应具有常温(即20℃)冲击韧性的合格保证。当结构的工作温度等于和低于0℃时，各牌号钢材应按表6-1所列分别满足不同低温的冲击韧性的合格保证。
(4)吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。
上述4点是设计者在选用钢材牌号时必须满足的材性要求。要注意上述第(3)点规定需冲击韧性试验合格保证的条件是需验算疲劳。钢结构构件及其连接由于一般都存在微观裂纹，在多次加载和卸载作用下，裂纹逐渐扩展，在其强度还低于抗拉强度，甚至低于屈服点的情况下突然断裂，称为疲劳破坏。这是危害性很大的一种脆性破坏，必须避免。规范规定：直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5 X104次时应进行疲劳计算。冲击韧性是衡量钢材突然断裂时所吸收的功的指标，可用以间接反映钢材抵抗由于各种原因而引起脆断的能力。规范规定需验算疲劳的结构必须具有各种温度下的冲击韧性合格保证，原因即在于此
正确选用钢材，是保证结构的安全使用和降低造价所必须做到的。钢材质量等级愈高，钢材的价格也愈高。因此应根据实际需要来选用合适的钢材质量等级。一般情况下，应根据结构的重要性(损坏带来后果的严重性)、荷载特征(静力荷载、动力荷载等)、结构形式、应力状态(拉应力或压应力)、连接方法(焊接或非焊接)、板件厚度和工作环境(低温等)等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性要求。
3.钢材的规格
钢结构所用钢材常由钢厂以热轧钢板和热轧型钢供应，由钢结构制造厂按设计图纸制成结构或扩大的构件，然后运到工地现场拼装和吊装。下面简要介绍型钢和钢板的种类与规格。
(1)热轧钢板
钢结构中常用的热轧厚板，厚度由4.5mm到60mm。厚钢板可用以制作各种板结构和各种焊接组合工字形或箱形截面的构件，如图6-5(e)～图6-5(c)所示。此外还可用作连接用的结点板、支座底板、加劲肋等的构件。除厚板外尚有热轧扁钢和热轧薄板。扁钢宽度较小(≤200 mm)，因此在结构中用处较少。薄板厚度为0.35～4 mm，主要用以制作冷弯薄壁型钢。
钢板的符号是“-厚度×宽度×长度”(也有采用把宽度写在厚度前面的标注方法，两者均可)，例如：-8×400×3000，单位为“mm"，常不加注明。数字前面的一短划线表示钢板截面。
(2)热轧型钢
我国生产的热轧型钢有如图6-5所示的等边角钢、不等边角钢、普通槽钢、普通工字钢、H型钢和剖分T型钢。
角钢的符号为“∠边长×厚度”(等边角钢)或∠长边×短边×厚度”。例如：∠1 10×10或∠90×56×6。单位毫米不必注明。
槽钢的符号为“[型号”，例如：[22，型号22代表槽钢的截面高度为220 mm。截面高度相同而腹板厚度不同时，则分别用a、b等予以区别。例如[32a、[32b和[32c三种截面的高度都是320mm，但其腹板厚度不同，各为8mm、10mm和12mm。
工字钢的符号与槽钢相同，即“I型号”，例如I63a、I63b等，型号63表示工字钢高度为630mm,a、b等表示截面的腹板厚度有所不同。
热轧H型钢(见图6一5f)在国外应用较多，而在我国则刚投产不久。H型钢的翼缘宽度B和截面高度H较接近，因而对截面两个主形心轴x和y的刚度较接近，适宜作为柱截面。按照我国国家标准《热轧H型钢和剖分T型钢》(GB/T 11263-1998),H型钢有宽翼缘、中翼缘和窄翼缘三种，宽翼缘H型钢的宽度B和高度H相同，而后两种H型钢的B和H不等，B小于H。H型钢的标注方法是“H高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度，例如H350×350×10×16，单位为毫米，不必标出。
剖分T型钢是由上述H型钢在腹板中部一剖为二而成，图6-5中未画出。T型钢的标注方法与H型钢相同，只要把H换成T即可。
除上面所述主要热轧型钢外，还有钢管(见图6-5 e)也是近年来经常采用的截面，特别是当前应用较多的大跨度网架结构中更是用它作为构件。此外，钢管混凝土结构中也离不开采用钢管。钢管分热轧的无缝钢管和由钢板焊接而成的电焊钢管，前者的价格贵于后者。钢管的符号为“Φ外径×厚度”，例如Φ95×5，表示钢管外部直径为95，壁厚为5。
(3)冷弯薄壁型钢
冷弯薄壁型钢是由钢板经冷加工而成的型材，采用冷弯型钢机成型、压力机上模压成型或在弯曲机上弯曲成型。截面种类较多，有角钢、槽钢、Z型钢、帽形钢、钢管等，其中前三种又可带卷边或不带卷边，如图6-6所示。这些型钢可单独使用，也可组合成组合截面。因厚度较薄，可使截面的刚度增大而得到更经济的截面。此外，目前还已生产有防锈涂层的彩色压型钢板，可用作墙面和屋面等。
冷弯薄壁型钢目前在我国的轻型建筑钢结构中常有应用。
4.钢材和连接的强度设计值
钢材的强度设计值应根据钢材厚度或直径按规范表3.4.1-1采用，连接的强度设计值应按规范表3.4.1-3至表3.4.1-5采用。这里需注意的是，在某些不利工作情况下，规范表3.4.1-1和表3.4.1-3至表3.4.1-5中给出的强度设计值还应乘于相应的折减系数，具体规定见规范第3.4.2条。
